Synchronized 看一篇就够了

2023-09-23 19:24:51

原文：《Synchronized 看一篇就够了》

使用场景：

修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。
修饰静态方法，作用于当前类加锁，进入同步代码前要获得当前类的锁。

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象。

synchronized：解决的是执行控制的问题，它会阻止其它线程获取当前对象的监控锁，这样就使得当前对象中被synchronized关键字保护的代码块无法被其它线程访问，也就无法并发执行。更重要的是，synchronized还会创建一个内存屏障，内存屏障指令保证了所有CPU操作结果都会直接刷到主存中，从而保证了操作的内存可见性，同时也使得先获得这个锁的线程的所有操作，都happens-before于随后获得这个锁的线程的操作。

锁是存在对象头中的：

TestClass1的实例中的三块数据分别是什么？

在 JVM 中，对象在内存中分为三块区域：

对象头

- Mark Word（标记字段）：用于存储对象自身的运行时数据，比如对象自己的HashCode、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit）。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
- Class Metadata Address（也叫Klass Word。类型指针）：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩，其中，oop即ordinary object pointer普通对象指针。开启该选项后，下列指针将压缩至32位：
  每个Class的属性指针（即静态变量）
  每个对象的属性指针（即对象变量）
  普通对象数组的每个元素指针
  当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

- Array length：如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。它的长度规则和压缩规则和klass word相同，64位JVM如果开启+UseCompressedOops选项，该区域长度也将由64位压缩至32位。

实例数据

- 这部分主要是存放类的数据信息，父类的信息。

对齐填充

- 由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
  Tip：不知道大家有没有被问过一个空对象占多少个字节？就是8个字节，是因为对齐填充的关系哈，不到8个字节对其填充会帮我们自动补齐。

Java对象的状态主要靠Mark Word来标记，以下是Java对象的5种锁状态，大部分与线程有关，下面每一行代表对象处于某状态时Mark Word的样子。

Mark Word（64bit）						锁状态
unused:25	identity_hashcode:31	unused:1	age:4	biased_lock:0	lock:01	正常/无锁
thread:54	epoch:2	unused:1	age:4	biased_lock:1	lock:01	偏向锁
ptr_to_lock_record:62					lock:00	轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:62					lock:10	重量级锁
空					lock:11	GC标志

上表中各部分和属性，从右往左含义如下：

lock：2位的锁状态标记位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个Mark Word表示的含义不同。
biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。lock和biased_lock共同表示对象处于什么锁状态。biased_lock和lock一起，表达的状态含义如下：

biased_lock   lock      状态

0             01        无锁

1             01        偏向锁

              00        轻量级锁

              10        重量级锁 （synchronized锁指的实际上就是他）

              11        GC标记

age：4位的Java对象年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。
identity_hashcode：31位的对象标识hashCode，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象加锁后（偏向、轻量级、重量级），MarkWord的字节没有足够的空间保存hashCode，因此该值会移动到管程Monitor中。

thread：持有偏向锁的线程ID。
epoch：偏向锁的时间戳。

ptr_to_lock_record：6位指针，轻量级锁状态下，指向线程栈帧中锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指针指向的是Monitor对象（也称为管程或监视器锁）的地址。

我们通常说的通过synchronized实现的同步锁，真实名称叫做重量级锁。

在jdk6 之前，通过synchronized关键字加锁时使用无差别的的重量级锁，重量级锁会造成线程排队（串行执行），并且使CPU在用户态和核心态之间频繁切换。随着对synchronized的不断优化，提出了锁升级的概念，并引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在Mark Word中，锁（lock）标志位占用2个bit，结合1个bit偏向锁（biased_lock）标志位，这样通过倒数的3位，就能用来标识当前对象持有的锁的状态，并判断出其余位存储的是什么信息。

锁升级步骤：

无锁：初期锁对象刚创建时，还没有任何线程来竞争，对象的Mark Word是无锁状态，这偏向锁标识位是0，锁状态01，说明该对象处于无锁状态（无线程竞争它）。
偏向锁：当有一个线程来竞争锁时，先用偏向锁，表示锁对象偏爱这个线程，这个线程要执行这个锁关联的任何代码，不需要再做任何检查和切换，这种竞争不激烈的情况下，效率非常高。这时Mark Word会记录自己偏爱的线程的ID，把该线程当做自己的熟人。这样就完成了从无锁升级为偏向锁的过程。

轻量级锁：当有两个线程开始竞争这个锁对象，情况发生变化了，不再是偏向（独占）锁了，锁会升级为轻量级锁，两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象并执行代码，锁对象的Mark Word就执行哪个线程的栈帧中的锁记录。
重量级锁：如果竞争的这个锁对象的线程更多，导致了更多的切换和等待，JVM会把该锁对象的锁升级为重量级锁，这个就叫做同步锁，这个锁对象Mark Word再次发生变化，会指向一个监视器对象，这个监视器对象用集合的形式，来登记和管理排队的线程。

了解了锁升级的过程，我们就看看这个重量级锁是个什么东西。前面说了，重量级锁时Mark Word中会有一部分空间记录的是一个Monitor对象的地址。当对象的锁级别升级为“重量级锁”时，JVM就开始采用Object Monitor机制控制各线程抢占对象的过程了。实际上这是JVM对操作系统级别Mutex Lock（互斥锁）的管理过程。

Monitor

什么是Monitor？

Monitor的类名叫做ObjectMonitor，源码参考：ObjectMonitor源码。

Monitor是一种用来实现同步的工具，他是在Jvm中实现的，用C++编写的。
与每个java对象相关联，即每个java对象都有一个Monitor与之对应。

Monitor是实现Sychronized(内置锁)的基础。

Monitor的基本结构是什么？

_owner字段：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，每当线程成功拥有该锁后Owner保存当前线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL。
_WaitSet：存放处于wait状态的线程队列。

_EntryList：存放处于等待锁block状态的线程队列。
_recursions：锁的重入次数。

_count：用来记录该线程获取锁的次数。

ObjectMonitor的工作过程

ObjectMonitor中通过三个集合来存储不同状态的线程：

EntrySet：停留在这个区域的线程由于还没有获得对象操作权限的原因，依然停留在synchronized同步块以外，具体来说就是位于synchronized(Object)这句代码的位置，还没有进入到synchronized同步块内。处于“Entry Set”区域的线程，其线程状态被标识为BLOCKED。
Owner：对象操作权持有区，一个时间点最多有一个线程处于这个区域。也就是说一个时间点只可能有一个线程能拥有这个对象的操作权限。简单点就是当前在synchronized同步块内正在执行的线程在这个集合中。

WaitSet：某一个线程通过wait等相关方法释放了对象的操作权限，但是只要这个线程没有退出synchronized同步块，就不会释放这个对象的抢占权。这是因为没有退出synchronized同步块，且暂时没有对象操作权限的线程都会被放置到待授权区域（Wait Set）。但是并不是处于待授权区（Wait Set）的线程都可以重新参与对象操作权的抢占，而是只有通过notify()或者notifyAll()相似方法被通知转移的线程能够参与。注意，每个对象的Object Monitor控制过程相对独立，但是一个线程可以同时拥有一个或者多个对象的操作权限。

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